從建築物看貝類的仿生學

研究中常發現,許多生物為求生存與繁衍,透過演化的方式,慢慢將形體或組織結構進行改變,在一段長時間的蛻變後,形成現有的型態,適應其所處的生存環境。而在建築科學中,當結構的強度到達臨界點時,建築物常會被材料所局限,因而無法有效的利用,也常造成空間資源的浪費。如何利用地球上既有的資源,創造出具有不同特性的材質,或透過各種力學原理與設計,在建築物上加以應用,減少空間因材料的局限而產生的不必要浪費,讓自然資源永續利用,在建築領域裡,我們看到了「仿生學」蹤跡,在此同時,我們亦發現到許多科技建築常不約而同的與貝類的構造或型態有所關聯。 

「仿生學」是於二十世紀中期,經由各國的科學家刻苦研究,正式成為一門獨立的學科。它是研究生物結構體與功能的互動原理,並根據這些原理,進而發明性能優越的新型機械系統、儀器設備和建築結構等,創造出新技術和新原理。簡單的說,仿生學就是模仿生物的結構和特性,作為提供工程技(術的設計架構與運作原理,進而建造先進技術裝置的科學,並試圖在技術方面,模仿各類生物在自然界中的功能。 

最原始的仿生學概念,曾有人想用羽毛做成的翅膀從高處跳下,以模仿鳥類飛翔在空中,早期正式且重大的利用之一,就是潛水艇的發明。近代科學對鸚鵡螺(圖一)已相當熟悉,鸚鵡螺的出現更可追朔至四億年前,也因而有『活化石』之稱,目前生活於熱帶海域,超過100 公尺以下的海中,觸手有60 90 隻,為肉食性動物,鸚鵡螺會隨成長把先前的殼內空間隔成氣室(圖二),每個氣室有小管相通(圖三),可利用這個氣室系統做浮力調整,稱之為活的潛水艇,其氣室結構更提供給人類靈感,設計出第一艘『鸚鵡螺號』潛艇。(1954 年,美國第一艘原子潛艇"鸚鵡螺號The Nautilus"於康乃迪克州哥頓市啟航。)

 
圖一、生態系中的鸚鵡螺

 
圖二、鸚鵡螺間隔的氣室結構

 
圖三、氣室的小管藉以通連每個氣室

在建築方面,貝類仿生學的利用,自1956年古根漢美術館開始,到近期利用新材料於大型公共建築,無論是外型或內部結構的應用案例皆有相當之數量。在下面的文章中,將以建築外觀、空間利用及其他利用等三點,透過案例進行描述。

(一)建築外觀

1.      紐約古根漢美術館:建築大師萊特先生,於二十世紀中期在具代表性的作品「古根漢美術館紐約館」(圖四)。主張「有機建築」的萊特先生,在紐約的中央公園旁蓋的這棟博物館,其外觀就是形似大蝸牛的白色建築(圖五)

2.      雪梨歌劇院:雪梨歌劇院由丹麥建築師 Joern Utzon所設計,設計期即長達三年。雪梨歌劇院的外表,係用產於瑞典的琉璃瓦所舖設,而且有白色和乳黃二種顏色交叉,在陽光照射、海水襯托下,即形成了矇矓、夢幻之美。雪梨歌劇院實際上有四個廳,即歌劇廳、音樂廳、戲劇廳和展示廳,每個廳可容納的人數約是二千多人(圖六)


圖四、古根漢‧紐約

 
圖五、多變高腰蝸牛(左),與蘭嶼光澤蝸牛(右)

 
圖六、雪梨歌劇院外觀

(二)空間利用

1.      紐約古根漢美術館:主張「有機建築」的建築大師萊特先生,在古根漢

美術館的設計概念上,除了外觀是一個大白貝殼外,其內部的空間也是仿貝殼的螺旋,將展覽空間依附著牆壁往上旋,形成單一前進方向的展覽動線,屋頂蜘蛛天窗採光,讓博物館達到有效的空間利用。在日本東京Spiral 美術館也就是模仿紐約古根漢美術館的建築形式。(圖七)

2.      需要大跨距的機場空間,利用貝殼的結構模式,來減少空間內的柱子,其滑順的外型,可降低飛機起降的風對建築造成的損害,故而在世界各地有多座國際機場,其外觀看起來都像是個大貝殼。

 
圖七、古根漢美術館的內部螺旋設計

(三)其他利用

在建築內還有許多造型或是家具,都是學習貝殼而產生的。最常見的,就是仿效蝸牛利用螺旋原理,減少橫向的空間使用的垂直動線「螺旋梯」(圖八,圖九) 

現今生物與建築整合人才尚未普及的環境下,藉由仿生學的觀點切入,觀察其他的生物,學習其行為模式,再加以研發應用是一個很好的發展方向。因受自然環境影響,人類將少於地球表面積30%的陸地開發利用,但因空間的飽和與限制,人類的建築型態逐漸往天空、地下甚至海中發展,所需的材料科學、結構力學、空間學等等,都是煥然一新的領域。


圖八、花蓮海洋世界的螺旋梯


圖九、金寶山福座貝殼造型旋梯

 

參考資料:

台灣貝類資料庫:http://shell.sinica.edu.tw
貝類人文資料庫:http://shellmuseum.sinica.du.tw

 

1,2,3,5,6,8,9,拍攝者:張文誠
4,7,拍攝者:許凱鈞(貝類數位典藏計畫兼任助理)

 

作者:邱聖芬
單位:台北藝術大學建築與古蹟保存研究所

聯絡電話:
02-27899547
電子信箱:
sunnybaby.chiu@gmail.com

 

作者:張文誠
單位:中央研究院 生物多樣性研究中心
職稱:專案經理
聯絡電話:
02-27899547
電子信箱:vinc1973@sinica.edu.tw

數位典藏國家型科技計畫 中央研究院 生物多樣性研究中心版權所有
台北市南港區11529研究院路2段128號
Creative Commons License 除另有註明, 本網站之內容皆採用創用CC 姓名標示-非商業性-禁止改作 2.5 台灣授權條款授權